MEMSマイクロフォンインターフェース：アナログ出力とデジタル出力

マイクロ電気機械システム（MEMS）マイクロフォンの利用は、さまざまな機器に高度な通信や監視機能の組み込みを可能にします。家庭用デジタルアシスタントや音声対応ナビゲーションデバイスは、現在音声制御エレクトロニクスが大きな成長を続けている一般的な例になっています。MEMS技術がマイクロフォンの分野で優位に立ちつつある今、MEMSマイクロフォンのさまざまな電気的インターフェースとその操作方法を検討する絶好のタイミングです。この記事では、アナログ、デジタルPDM、デジタルI²Sという最も一般的な3つのオプションを、長所、短所、実装を考慮しながら比較します。

MEMSマイクの基本構造

MEMSマイクロフォン の典型的な構成は、2つの半導体チップを1つのパッケージに集積したものです。第1の半導体チップは、音波を電気信号に変換するMEMSメンブレンで構成され、第2のチップは、アナログデジタルコンバータ（ADC）を内蔵することができる増幅器で構成されます。MEMSマイクロフォンにADCがない場合、アナログ出力信号がユーザーに提供され、ADCがある場合はデジタル出力信号が利用できます。

アナログ出力の概要

アナログ出力を備えたMEMSマイクロフォンは、以下の図1に示すように、ホスト回路とのシンプルなインターフェースを提供します。マイクロフォンの内部アンプがアナログ出力信号を駆動していることは注目に値しますが、これはすでに妥当な信号レベルであり、比較的低い出力インピーダンスを特徴としています。

ホスト回路の直流入力電圧とMEMSマイクロフォンの直流出力電圧を一致させる必要がないように、直流阻止コンデンサ（C1）を使用します。C1とR1の組み合わせは極周波数を形成し、この極周波数は、所望のオーディオ周波数信号が許容レベルの減衰でホスト回路に伝送されることを保証するのに十分低く設定されなければなりません［すなわち、最小オーディオ周波数範囲20Hzの場合、1/(2πR1*C1)<20Hz］。

図1：外部アンプに接続されたアナログMEMSマイクロフォン。（画像提供： Same Sky）

デジタル出力の概要

デジタルインターフェースを備えたMEMSマイクロフォンは、パルス密度変調（PDM）やI²Sを利用して出力信号をエンコードすることが多いです。PDMでは、アナログ信号電圧は、対応する密度の論理ハイ信号を含む1ビットのデジタルストリームに変換されます。PDMは、電気ノイズへの耐性、ビットエラー耐性、容易なハードウェアインターフェースなど、いくつかの利点を提供します。

図 2 は、単一のデジタルPDM マイクロフォンをホスト回路に接続する方法を示しています。図中の 「Select 」ピンは、クロック信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジのどちらでデータがアサートされるかを決定するために、VddまたはGndのいずれかに接続することができます。

図2：デジタルPDM MEMSマイクロフォンの単一接続。（画像提供：Same Sky）

図3は、2つのデジタルPDM MEMSマイクロフォンを、共有クロックラインとデータラインを使ってホスト回路に接続する方法を示しています。この構成は、ステレオマイクロフォンを実現する際によく使われます。

図3：クロックラインとデータラインを使って2つのデジタルPDM MEMSマイクロフォンを接続します。（画像提供：Same Sky）

デジタルI²S出力を持つMEMSマイクロフォンはPDM出力と同等なシステムの利点を提供します。これらのマイクロフォンにはデシメーションフィルタが内蔵されており、標準的なオーディオサンプルレートを生成することで、インターフェースと処理を簡素化します。デジタルI²S MEMSマイクロフォンは、内部でデシメーション処理が行われるため、デジタルシグナルプロセッサ（DSP）やその他のコントローラに直接接続することができます。これにより、出力されたデータを処理するためのADCやコーデックが不要となり、最終的なアプリケーションにおけるシステム設計コストの削減とスペースの節約につながります。

デジタルPDM MEMSマイクロフォンと同様に、2つのデジタルI²S MEMSマイクロフォンは共通のデータラインを使って接続することができます。しかし、この構成では、ワードクロックとビットクロックに加えて、2つのクロック信号が必要になります。

アナログとデジタルの選択基準

電気工学では、MEMSマイクロフォンの出力信号をアナログにするかデジタルにするかは、出力信号の使用目的によって決まります。アナログ出力信号は、単純なラウドスピーカや無線通信システムなど、ホストシステム内でアナログ処理用のアンプに接続するアプリケーションに適しています。アナログ出力のMEMSマイクロフォンは、ADCを必要としないため、デジタル出力のものに比べて消費電力も低くなります。

また一方で、MEMSマイクロフォンからのデジタル出力信号は、マイクロコントローラやデジタルシグナルプロセッサ（DSP）などのデジタル回路で使用する場合に適しています。デジタル出力信号は、従来のアナログ信号に比べて電気ノイズ耐性が高いため、電気的にノイズの多い環境でも有効です。

まとめ

MEMSマイクロフォン技術はますます普及しつつあり、今後も利用が拡大することが期待されています。利用可能なさまざまな構成を理解し、特定のユースケースにどのように適用できるかを理解することが重要です。MEMSマイクロフォンのアナログ出力かデジタル出力かを決定する際には、最適な性能を確保するために、出力信号がどのように使用されるのか、またどのようなシステム実装を想定しているのかを考慮することが不可欠です。Same Skyは、アナログ、デジタルPDM、デジタルI²S MEMSマイクロフォン のほか、さまざまな音響アプリケーションのニーズに対応する種類豊富な オーディオコンポーネントソリューション を提供しています。